一级建造：预应力加筋土石堤坝

城市防洪堤的结构形式主要有两类：一是土石堤防，二是混凝土、钢筋混凝土堤防。前者边坡较缓，占用面积空间大，其防渗防冲的可靠性以及抗御超额洪水与漫顶的能力偏弱。混凝土堤防尽管本身坚固耐冲，但对软基的适应能力差，且造价高。笔者在研究国内外类似的堤坝和路基工程的实践经验基础上，提出一种新型防洪堤的结构型式——预应力加筋土石防洪堤。
　　一、加筋土堤坝应用实例
　　加筋土应用于挡水工程的典型实例是法国的康柯耶拉克（Conqueyrac）坝，其高21.2m长190m，属混凝土面板堆石坝型。该坝的特点是，在坝身的堆石体中加钢筋，构成加筋堆石，以求大幅度压缩坝体断面，坝底宽为21m.该坝于1982年建成，其造价比次优方案（重力坝）低20%，经济效益显著。坝体上游为防渗的混凝土面板，底部嵌固在基岩上，上下坝坡分别为1∶0.25、1∶0.3.堆石的加筋采用40、32、25（由下而上）三种规格的钢筋，其上下游端锚系于混凝土面板和混凝土挡板（挡板高2.2m、每节长2.9m）。各层钢筋均布设在堆石填筑碾压层面上，垂直每隔2.0m布设一层，水平间距为1.45m.
　　二、加筋土堤坝工作性态的数值模似
　　我们对康柯耶拉克坝进行了非线性有限元分析。将混凝土和钢筋视作线弹性材料，坝身土石体和混凝土离散为二维等参元，钢筋处理为受拉杆单元。计算工况分两种：施工期，蓄水期，堆石料逐层填筑，分１０次直至坝顶竣工，计算中按增量方式逐层模拟。
　　竣工期、蓄水期水平位移和垂直等值线示于图2.可见，加筋堆石坝的变形小，特别是水平变形小，分布匀称。垂直变形值出现在坝半高处，竣工期和蓄水期各为4.3cm、4.8cm、仅为坝高的0.20%、0.23%.水平位移值竣工期仅为0.9cm，蓄水期为4.0cm.
　　蓄水期大小主应力等值线。由图可见，其变化均匀，分布状态良好。竣工期与蓄水期的应力水平的分布见图4.应力水平的值为0.48，出现在竣工期；蓄水后降为0.46，大值区的范围也略缩小，即面板水压荷载使土石体的受力状态有所改善。这符合面板堆石坝的一般经验和观测结果。
　　竣工期、蓄水期钢筋受力值各为12.5t、16.2t，后者为钢筋许可荷载的46%，出现在4m高处，这与水平位移出现的部位相一致。钢筋的受力随填筑层向上而递减。蓄水使钢筋受力增加约23%.可见，刚性加筋使土石坝的受力状态得到根本改善，即使坝体边坡为1∶0.25～0.3，仍保持很低的应力水平（≤0.5），表明其安全度很高；钢筋的受力控制在蓄水期，而受力值尚不足钢筋允许荷载的一半。
　　三、预应力加筋土石堤坝
　　1.预应力加筋土石堤坝的分析论证 康柯耶拉克坝中钢筋未施加预应力，它是靠堆石料的侧向变形使之承受拉力，并反过来对堆石料施加侧向约束，增强其抗剪能力的，即加筋的作用是被动式的，未加控制的，所以加筋的利用是不完全的，也是不经济的。
　　现研究同一断面的预应力加筋土石坝。结果，筋材用量减少30%.钢筋的受力为22.2t，约达允许荷载的85%.单宽加筋量仅0.72t.由于预应力的作用坝体应力应变状态仍良好，竣工期、蓄水期的位移和大小主应力分布匀称，分布形态良好。特别是蓄水期应力水平值仅为0.52，抗剪稳定的安全潜力较大。
　　2.预应力加筋土石防洪堤坝的技术方案
　　预应力加筋土石堤坝的土石料可采用：
　　① 砂砾料：料源较方便，运距较短。砂砾料用于面板坝工程已有丰富经验。
　　② 堆石料：除硬岩石料以外，也可选用软岩石料（压强＜30MPa），以利扩大料源。
　　③ 一般土石料：力求选用内摩擦角和渗透性大的土石料 .
　　其地基防渗型式应因地制宜。
　　综上可知，预应力加筋土石堤坝的断面比面板堆石坝约小一半，比通常的土石堤坝约小3/4，虽然其断面比混凝土重力坝略大，但它对软基的适应能力较强，这对于城市多为土质地基的实际情况非常重要。
　　预应力加筋土石堤坝除工程造价明显降低以外，它还有以下优越性：
　　① 施工快捷，工期缩短；
　　② 少占地（或者增加造地）；
　　③ 堤顶可用作交通道路（堤防的变形模量大）。坡面可进行绿化（填筑体为土石散粒料，便于根系生长），有利于改善城市景观；
　　④ 新型堤坝有利于沿堤两岸的国土面积的升值。
　　四、结论
　　1.数值模拟表明，加筋堆石坝的安全度高，但加筋受力较小，潜力很大。预应力加筋土石堤坝的边坡陡，断面小，底宽与堤高基本相等，加筋用量明显减少，而安全度仍很高（应力水平≤0.52），其技术可行性得到初步论证。
　　2.新型堤坝与普通土石堤坝相比，少占地、少搬迁，工程量小2倍，工期短，抵御洪水漫顶能力强，景观良好；与混凝土堤相比，对土质地基的适应能力强，就地取材，造价低，易于绿化。总之，新型堤坝的综合优势明显。
　　3.非线性有限元方法可模拟加筋、预应力、非线性等多因素和施工、运行全过程，计算结果合理可信，可用于新型堤坝的设计计算。
　　4.经中小型堤防工程的试用、改进，新型的预应力加筋土石堤坝有着广泛的应用价值。